CN116110762A - 一种π字形折叠波导慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种π字形折叠波导慢波结构，所述折叠波导慢波结构包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道；所述折叠波导慢波结构还包括由各上栅体和各下栅体限定的波导结构；所述波导结构包括形成多个周期性结构的直波导段和波导连接段；所述波导连接段包括形成于波导连接段两端的扩容部。该慢波结构能够改变现有矩形折叠波导内部场强分布，提升慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升。

Description

一种π字形折叠波导慢波结构

技术领域

本发明涉及微波真空电子技术领域。更具体地，涉及一种π字形折叠波导慢波结构。

背景技术

慢波结构是微波真空电子器件的核心部分，其作用是降低在其中传输电磁波的相速度，使某一次空间谐波与电子注满足同步条件，电子注和电磁场之间会发生互作用，通过能量交换放大电磁波。在短毫米波及太赫兹频段，螺旋线加工将非常困难，而且高频工作下螺旋线慢波结构的功率处理能力较低，散热也存在巨大的困难，因此，在短毫米波及太赫兹行波管器件中，多才用全金属折叠波导慢波结构。折叠波导慢波结构机械强度高、散热好、功率容量大、频带宽、易于加工且与微加工技术相兼容等优点，被国内外电真空研究单位广泛研究。

如图1和图2所示，常规矩形折叠波导慢波结构是将矩形波导沿电场面组成周期结构，电子注通道为圆柱形结构，位于折叠波导慢波结构的横向中轴线上，电子注通道(记为10)和矩形折叠波导(记为20)内部为真空，其余为金属材料。电子注通道半径标记为r_c，矩形折叠波导的宽边尺寸用a表示，慢波结构的几何周期记为p，直波导(记为201)高度记为h、窄边记为b，横向直波导(记为202)窄边记为d。

在短毫米及太赫兹频段，常规矩形折叠波导慢波结构的轴向耦合阻抗较低，电子注与电磁波互作用效率不高，这将限制器件增益、功率及效率的性能提升，在一定程度上影响了这类慢波结构应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种π字形折叠波导慢波结构，该慢波结构能够改变现有矩形折叠波导内部场强分布，提升慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提供一种π字形折叠波导慢波结构，所述折叠波导慢波结构包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道；

所述折叠波导慢波结构还包括由各上栅体和各下栅体限定的波导结构；

所述波导结构包括形成多个周期性结构的直波导段和波导连接段；所述波导连接段包括形成于波导连接段两端的扩容部。

此外，优选地方案是，两个扩容部相对于波导连接段的中心线呈对称设置。

此外，优选地方案是，所述波导连接段包括端部边界，所述端部边界凸出于直波导段电子注通道轴线方向的侧边界。

此外，优选地方案是，所述端部边界包括竖直边界以及对称设置于竖直边界上下两侧的弧形过渡边界。

此外，优选地方案是，所述波导连接段包括内弧边界，所述内弧边界包括至少两个弧形边界。

此外，优选地方案是，

定义，直波导段的窄边长度为b，慢波结构的几何周期长度为p；

所述弧形边界对应的半径R_n的长度为0＜R_n＜(p/4-b/2)。

此外，优选地方案是，

定义，波导连接段的窄边长度为d；

所述弧形过渡边界对应的半径R_w的长度为0＜R_w＜d。

此外，优选地方案是，

定义，慢波结构的几何周期长度为p；

所述波导连接段在电子注通道的轴线方向上的长度L为0＜L＜p。

本发明的有益效果为：

与传统的矩形折叠波导慢波结构相比较，本发明提供的π字形折叠波导慢波结构通过对波导连接段端部结构样式的改进，在波导连接段的两端形成扩容部，该扩容部能够增大波导连接段的内腔体积，改变折叠波导内部的场强分布，有效增加慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升。

此外，本发明还通过结合利用波导连接段的呈劣弧结构的内弧边界，增大了波导连接段的内腔体积，改变了折叠波导内部的场强分布，提升了电子注通道附近的场强强度，使得慢波结构轴向耦合阻抗得到整体提高。

相比于常规矩形折叠波导慢波结构，本发明的π字形折叠波导慢波结构在91-101GHz频带内轴向耦合阻抗增加幅度在30％以上。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有矩形折叠波导慢波结构的结构示意图。

图2示出现有的单周期矩形折叠波导慢波结构的结构图。

图3示出本发明所提供π字形折叠波导单几何周期的主视图。

图4示出本发明所提供π字形折叠波导单几何周期的结构示意图。

图5示出本发明所提供π字形折叠波导慢波结构的结构示意图。

图6示出本发明所提供慢波结构和现有矩形折叠波导慢波结构的相光速比(Vp/c)对比曲线图。

图7示出本发明所提供慢波结构和现有矩形折叠波导慢波结构的轴向耦合阻抗对比曲线图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了提高现有矩形折叠波导慢波结构电子注与电磁波互作用效率，实现提升器件功率和效率的发明目的。本发明提供一种π字形折叠波导慢波结构，结合图3至图5所示，具体地所述折叠波导慢波结构包括彼此交错分布的多个上栅体4和多个下栅体5、以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道1；所述折叠波导慢波结构还包括由各上栅体4和各下栅体5限定的波导结构(也可以称为波导腔)；所述波导结构包括形成多个周期性结构的直波导段2和波导连接段3。

需要说明的是，如图所示，本发明提供的π字形折叠波导慢波结构是在现有矩形折叠波导慢波结构基础上，针对矩形折叠波导的波导连接段的进一步改进，本领域人员可以理解的是，折叠波导通常包括有彼此交错分布的多个上栅体4和多个下栅体5、直波导段2和波导连接段3由各上栅体4和下栅体5限定成多个几何周期性结构。基于折叠波导的结构样式，结合图4本发明所提供π字形折叠波导单几何周期的结构示意图，本实施方式也对应的以单几何周期的π字形折叠波导结构进行举例说明，但本领域技术人员可以理解的是，本发明中对波导连接段3的结构进行的改进包括位于电子注通道1上方位置的波导连接段3以及下方位置的波导连接段3。

为了便于描述，本发明定义，图中，以a表示波导的宽边长，以d表示波导连接段的窄边长度，以b表示直波导段的窄边长，以h表示直波导段的高度，电子注通道半径表示为r_c，慢波结构的几何周期表示为p。本发明针对的是周期性结构中两个直波导段具有相同的互作用距离的折叠波导慢波结构的改进，也就是说，相邻两个直波导段对应的波导窄边长度b相等。

相较于现有技术，本发明所述的波导连接段结构改进在于，所述波导连接段3包括形成于波导连接段3两端的扩容部31。即在常规矩形折叠波导的基础上，沿横向延长波导连接段3在其两端形成两个连通的腔体结构。优选地，两个扩容部31沿所述电子注通道1的轴线方向排列。具体的，所述扩容部31由栅体的垂直于电子注通道轴线方向的侧壁表面向内凹陷形成。

在上述描述中，所述的栅体包括与电子注通道1上方位置波导连接段3对应的上栅体4，以及与电子注通道1下方位置波导连接段3对应的下栅体5，也就是说当以电子注通道1上方位置波导连接段3作为描述对象时，所述的栅体实际表述的是上栅体4，当以电子注通道1下方位置波导连接段3作为描述对象时，所述的栅体实际表述的是下栅体5。

与传统的矩形折叠波导慢波结构相比较，本发明提供的π字形折叠波导慢波结构通过对波导连接段端部结构样式的改进，在波导连接段3的两端形成扩容部31，该扩容部31能够增大波导连接段3的内腔体积，改变折叠波导内部的场强分布，有效增加慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升。

具体的，两个扩容部31沿所述电子注通道1轴线方向形成于波导连接段3两端；两个扩容部31相对于波导连接段3的中心线32呈对称设置，以避免3π相移处产生止带。

进一步地，所述波导连接段3包括端部边界，该端部边界即为扩容部31的外边界，所述端部边界为由波导连接段3的与直波导段2的侧边界对应位置处向外隆起形成，即所述端部边界凸出于直波导段2电子注通道1轴线方向的侧边界，所述侧边界与电子注通道1轴线方向垂直。更进一步地，所述端部边界包括竖直边界311以及对称设置于竖直边界311上下两侧的弧形过渡边界312；具体地，所述弧形过渡边界312对应的半径R_w的长度为0＜R_w＜d。

在一具体实施例中，所述波导连接段3还包括内弧边界，所述内弧边界包括至少两个弧形边界33，两个弧形边界33相对于波导连接段3的中心线32呈对称设置。本发明通过结合利用波导连接段3的呈劣弧结构的内弧边界，增大了波导连接段3的内腔体积，改变了折叠波导内部的场强分布，提升了电子注通道附近的场强强度，使得慢波结构轴向耦合阻抗得到整体提高。

在一具体实施例中，对本发明的弧形边界33的结构进行限定，但不限定于此，所述弧形边界33对应的半径R_n的长度为0＜R_n＜(p/4-b/2)。

此外，为了保证慢波结构的整体性，降低工艺难度，便于加工制作，本发明中，所述内弧边界一端起止点与对应的直波导段2边壁起止点重合，另一端起止点与对应的直波导段2边壁起止点重合。

与传统的矩形折叠波导慢波结构相比较，本发明提供的π字形折叠波导慢波结构通过对波导连接段端部结构样式的改进的基础上，结合利用波导连接段的呈劣弧结构的内弧边界，从而能够增大波导连接段的内腔体积，改变折叠波导内部的场强分布，提升了电子注通道附近的场强强度，有效增加慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升。

在一具体实施例中，为了避免相邻腔体相通影响慢波特能，所述波导连接段3在电子注通道1的轴线方向上的长度L为0＜L＜p。

当π字形折叠波导慢波结构的尺寸设定为(单位：mm)a＝1.9，b＝0.3，d＝0.4，p＝1.32，h＝0.52，r_c＝0.22，L＝1.08，R_w＝0.2，R_n＝0.2。利用三维电磁软件CST建立折叠波导模型，分别对常规矩形折叠波导和π字形折叠波导建模仿真，并对各性能进行对比分析。为计算π字形折叠波导慢波结构的耦合阻抗(Kc)增加幅度，调整周期p或参数L使其中心频率相光速比(Vp/c)与常规折叠波导相同，图6和图7分别为π字形折叠波导慢波结构和常规矩形波导慢波结构的色散和耦合阻抗对比曲线。相比于常规矩形折叠波导慢波结构，π字形折叠波导慢波结构在91-101GHz频带内轴向耦合阻抗增加幅度在30％以上。因此，在其它条件不变情况下，以π字形折叠波导慢波结构为互作用电路，微波电真空器因耦合阻抗增加，可以实现更高的增益和更高的功率和效率。

本发明提供的π字形折叠波导慢波结构简单，仅在常规矩形波导的基础上多铣出一个腔体结构，并对栅体的直角进行倒角处理，加工工艺极易实现，性能改善较为明显，相比对常规结构，轴向耦合阻抗增加30％以上，能够提高短毫米波及太赫兹器件增益和效率。

具体地，结合图3、图4和图5所示，本发明是在常规矩形折叠波导基础上优化所得，在机床加工折叠波导时，横向延长波导连接段，且为提高加工性能对腔体结构的上下两个直角进行倒角，其倒角半径分别记为R_w(0＜R_w＜d)，形成横向尺寸为L(0＜L＜p)的腔体结构，同时，对折叠波导内的波导连接段与直波导段连接处的直角边界进行倒角，其倒角半径分别记为R_n(0＜R_n＜(p/4-b/2))，即可得到本发明的π字形折叠波导慢波结构。本发明与常规矩形直角折叠波导慢波结构相比增加了波导连接段内腔体积，使得波导连接段的内腔得到增大，可改变现有矩形直角折叠波导内部场强分布，提升了电子注通道附近的场强强度，从而能够提升慢波结构的耦合阻抗幅，在91-101GHz频带内轴向耦合阻抗增加幅度可在30％以上。该慢波结构制作工艺简易，便于加工制造，且不会降低各尺寸的加工精度，可适用于短毫米及太赫兹行波管慢波结构。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种π字形折叠波导慢波结构，所述折叠波导慢波结构包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道；

所述折叠波导慢波结构还包括由各上栅体和各下栅体限定的波导结构；

所述波导结构包括形成多个周期性结构的直波导段和波导连接段；其特征在于，所述波导连接段包括形成于波导连接段两端的扩容部。

2.根据权利要求1所述的π字形折叠波导慢波结构，其特征在于，

两个扩容部相对于波导连接段的中心线呈对称设置。

3.根据权利要求1所述的π字形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述波导连接段包括端部边界，所述端部边界凸出于直波导段电子注通道轴线方向的侧边界。

4.根据权利要求3所述的π字形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述端部边界包括竖直边界以及对称设置于竖直边界上下两侧的弧形过渡边界。

5.根据权利要求1所述的π字形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述波导连接段包括内弧边界，所述内弧边界包括至少两个弧形边界。

6.根据权利要求5所述的π字形折叠波导慢波结构，其特征在于，

定义，直波导段的窄边长度为b，慢波结构的几何周期长度为p；

所述弧形边界对应的半径R_n的长度为0＜R_n＜(p/4-b/2)。

7.根据权利要求4所述的π字形折叠波导慢波结构，其特征在于，

定义，波导连接段的窄边长度为d；

所述弧形过渡边界对应的半径R_w的长度为0＜R_w＜d。

8.根据权利要求1所述的π字形折叠波导慢波结构，其特征在于，

定义，慢波结构的几何周期长度为p；

所述波导连接段在电子注通道的轴线方向上的长度L为0＜L＜p。

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